CN109098161B - 一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置及方法，包括模型箱主体、模型箱支护和弯曲元固定单元，所述模型箱支护设置模型箱主体上，对框架式的模型箱主体进行防护，所述模型箱主体的若干板面上设置有用于固定弯曲元的弯曲元固定单元，通过各板面的弯曲元固定单元相互搭配形成不同的应力路径，实现剪切波速的三向测试；可实现不同压实度路基的制作成型，模拟路基土体多维度(特别是水平方向)、测试距离、上覆压力、水位下剪切波速的测量及力学特性的实时监视，评估地震水平荷载，施工扰动水平荷载等作用下，路基的动力性能。

Description

一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置及方法

技术领域

本公开涉及一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置及方法。

背景技术

路基压实是路基施工中最为重要的程序，在路基施工及后续的质量检测过程中，如何快速准确地确定土体相关性能指标，进而判断基础设施的服役状态，是目前大量交通基础设施投入运行后面临的主要问题。土体的剪切波速或小应变剪切模量可以有效地反映土体的工程特性与力学性能，它在建筑场地类别划分、地震荷载等动力作用下场地响应分析、饱和砂土液化判别和土体各向异性程度量化等各方面均得到了广泛的应用。利用剪切波速衡量路基土压实质量现在越来越成为一种路基质量控制的无损检测法。实际检测过程中，现场试验通常采用物探方法，室内试验通常采用共振柱或压电陶瓷弯曲元测试。但由于室内共振柱试验操作复杂，且测试精度受多方面因素影响，因而以弯曲元试验测试路基土剪切波速更为简单方便。

在路基施工及后续的检测维修过程中，针对路基土体的控制参数多为竖直方向上的参量，如压实度、回弹模量等，而对于路基土体水平方向上的施工效果及土体状态关注较少。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置及方法，本公开可以实现土体多维度(特别是水平方向)、测试距离、上覆压力、水位下剪切波速的测量及力学特性的实时监视。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置，包括模型箱主体、模型箱支护和弯曲元固定单元，所述模型箱支护设置模型箱主体上，对框架式的模型箱主体进行防护，所述模型箱主体的若干板面上设置有用于固定弯曲元的弯曲元固定单元，通过各板面的弯曲元固定单元相互搭配形成不同的应力路径，实现剪切波速的三向测试。

通过控制测试装置容纳的填料的质量、填料的密度等因素，利用弯曲元固定单元相互搭配形成不同的应力路径，可获得多维度的，不同压实度下的三向剪切波速。向内注水的话，还可以得到不同水位条件下的三向剪切波速，评价路基各向性能。

作为进一步的限定，所述模型箱主体设置于振动台上，跟随振动台的振动而运动。

配合振动台，能够施加不同振动频率和振动速度量级的扰动荷载，模拟地震荷载、施工扰动荷载等作用下，路基性能的演化，并实时测试三个方向剪切波速，通过剪切波速定量表征路基性能的演化，以评估路基动力性能。

作为进一步的限定，所述模型箱主体包括底板、前后两侧转动板和左右两侧板，所述前后两侧转动板和左右两侧板分别设置于底板的各个边上，形成立方体框架。

作为更进一步的限定，所述模型箱主体的前后两侧转动板和左右两侧板相同高度处、底板中心处设有矩形开孔，以安装弯曲元固定单元，其尺寸大于所用弯曲元器件；左右两侧板的一侧底部设置有进水阀，另一侧顶部设有排水阀。

设置进水阀和排水阀能够方便的控制水位条件。

作为更进一步的限定，所述模型箱主体左右两侧板通过硅胶粘接在底板上，其外部通过硅胶与框架粘接固定；前后两侧转动板与底板连接，前后两侧转动板与左右两侧板压紧，接触面位置采用硅胶密封；前后两侧转动板与底板和侧板接触面采用高弹性的密封胶，允许转动板沿着前后方向产生微小的弹性变形。

作为进一步的限定，所述模型箱支护由前后两侧的檩条和左右两侧的框架组成，固定于模型箱主体四面形成围护结构。

作为更进一步的限定，所述檩条与前后两侧转动板之间采用柔性材料缓冲，允许扰动荷载下前后两侧转动板绕着铰链转动。

作为进一步的限定，所述弯曲元固定单元至少包括四种构件，A构件为外部带有螺纹的铁管，其内径与模型试验箱上开孔的直径相同；B构件的形状为扩大的螺母结构，其内壁上有螺纹，与A构件之间可旋紧；C构件为光圆中空的铁管，其内径大于所用弯曲元器件的宽度，外径与A构件内径相同；D构件为实心的铁柱，外径与A构件内径相同。

作为进一步的限定，所述模型箱主体开孔处设置于设定的应力待测路径上，与弯曲元的结合与固定。

基于上述装置的实体路基模型分层压实后三向波速测试方法，包括以下步骤：

计算每层所需填料质量，将确定质量的填料均匀倒入模型箱至目标填筑高度，用夯机进行夯实碾压，对每层压实路基表面进行打毛处理，分层压实直至填料达到第一排弯曲元高度；

分层压实达到第一排弯曲元高度后,分别由两侧的弯曲元测试左右方向和前后方向的波速，路基表面放置一组弯曲元，位置与底部弯曲元对应，测试竖向波速，对比分析不同夯实碾压遍数下各方向的剪切波速，评价路基土体水平方向上的施工效果及填高范围内土体的综合状态，确定最优施工方式；

继续填筑并压实，每至弯曲元测试高度后，测试三个方向剪切波速；

填筑完成后，进行注水，研究不同水位下三个方向的剪切波速，获得不同压实度、不同水位条件下的三向剪切波速，评价路基各向性能。

所述弯曲元固定单元的安装步骤包括：

步骤1：将A构件用环氧树脂胶水粘接在模型试验箱开孔外部，其圆心与开孔中心对齐；

步骤2：先将D构件置于A构件中，后将B构件旋紧即可进行模型箱的填土；

步骤3：待填土完成后，将需测试位置弯曲元孔洞处B构件卸下，D构件取出，之后将用环氧树脂胶灌入粘结弯曲元的C构件插入，使弯曲元器件深入箱内土体中，将B构件旋紧即可。

评估实体路基模型动力性能的工作方法，包括以下步骤：

将模型箱固定在振动台上并按照进行模型的填筑和压实；

通过振动台施加不同振动频率和振动速度量级的扰动荷载，模拟地震荷载、施工扰动荷载的作用下，路基性能的演化，并实时测试三个方向剪切波速，通过剪切波速定量表征路基性能的演化，以评估路基动力性能。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开为保证室内模型试验的准确性，采用控制压实过程压强值恒定，缩减其他参数比例的方法来缩小模型尺寸，从而更真实的模拟不同压实度路基的制作成型；

本公开通过模型箱体开孔与弯曲元固定单元实现弯曲元测试时的精准安装定位,提高了试验结果的合理性和准确性，同时模型箱长宽高三个方向上均可进行波速测试，六个板面上均可设置弯曲元，彼此之间的相互搭配可形成不同的应力路径，从而可实现剪切波速的三向测试；

本公开还可也搭配提供扰动源的振动台，模拟地震水平荷载，施工扰动水平荷载等作用下，路基性能的演化，并采用三向剪切波速定量表征；

本公开结构简单，拆卸方便，便于移动，箱体前后两侧板通过铰链与底板连接，可实现自由开合，方便填料的装卸。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实施例整体结构示意图；

图2为本实施例底板示意图；

图3为本实施例前后两侧转动板示意图；

图4为本实施例左右两侧板示意图；

图5为本实施例檩条示意图；

图6为本实施例框架示意图；

图7为本实施例模型箱开孔示意图；

图8(a)-(d)为本实施例弯曲元固定单元示意图；

其中，1.模型箱主体，2.模型箱支护，3.进水阀，4.排水阀，5.振动台，1-1.底板，1-2.前后两侧转动板，1-3.左右两侧板，2-1.檩条，2-2.框架；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术所介绍的，针对路基土体的控制参数多为竖直方向上的参量，如压实度、回弹模量等，而对于路基土体水平方向上的施工效果及土体状态关注较少。利用压电陶瓷弯曲元，可以实现对路基土体多维度(特别是水平方向)上剪切波速的测量，进而可以表征路基土体的各向异性。针对上述问题，本申请提出了一种实现分层碾压路基各向剪切波速测试的可拼装式试验装置及方法。

需要注意的是，附图中的尺寸仅仅为示例，并不限定具体的尺寸或比例，在其他实施例中，可以对尺寸进行修改。

装置包括模型箱主体、模型箱支护、弯曲元固定单元以及振动台四个部分，所述模型箱主体由底板、前后两侧转动板和左右两侧板组成，

模型箱支护由前后两侧的檩条和左右两侧的框架组成，固定于模型箱主体四面形成围护结构，所述弯曲元固定单元由四个构件组成，用于模型箱主体开孔处与弯曲元的结合与固定，所述模型箱主体底部固定有振动台。

述模型箱主体由有机玻璃制成，所述转动板和左右两侧板均设由刻度尺，所述底板预留螺栓孔，以便与其他装置固定。

模型箱主体左右两侧板通过硅胶直接粘接在底板上，其外部通过硅胶与框架粘接固定；前后两侧转动板通过铰链与底板连接，其外部分别通过两根檩条和四对螺栓与框架连接，保证前后两侧转动板与左右两侧板压紧，接触面位置采用硅胶密封；前后两侧转动板与底板和侧板接触面采用高弹性的密封胶，允许转动板沿着前后方向产生微小的弹性变形。

檩条与前后两侧转动板之间采用柔性材料缓冲，允许扰动荷载下前后两侧转动板绕着铰链转动。

前后两侧转动板和左右两侧板相同高度处、底板中心处设有矩形开孔，便于弯曲元固定单元的安装，其尺寸略大于所用弯曲元器件；左右两侧板的一侧底部设置有进水阀，另一侧顶部设有排水阀。

模型箱框架为两块由螺栓连接的保罗上下横梁和五片立柱的焊接钢铁。

弯曲元固定单元由四个构件组成：A构件为外部带有螺纹的铁管，其内径与模型试验箱上开孔的直径相同；B构件类似于一个扩大的螺母结构，其内壁上有螺纹，可与A构件旋紧，该构件顶部并未完全封闭，而是开有小孔，方便弯曲元连接线伸出；C构件为光圆中空的铁管，其内径略大于所用弯曲元器件的宽度，外径与A构件内径相同；D构件为实心的铁柱，外径与A构件内径相同。

弯曲元固定单元在进行模型测试时，具体安装步骤如下：

步骤1：将A构件用环氧树脂胶水粘接在模型试验箱开孔外部，其圆心与开孔中心对齐；

步骤2：先将D构件置于A构件中，后将B构件旋紧即可进行模型箱的填土；

步骤3：待填土完成后，将需测试位置弯曲元孔洞处B构件卸下，D构件取出，之后将用环氧树脂胶灌入粘结弯曲元的C构件插入，使弯曲元器件深入箱内土体中；

步骤4：将B构件在此旋紧即可进行剪切波速的正常测量。

本实施例还公开了一种实体路基模型分层压实后三向波速测试的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：按公式M＝Kρ_dmax(1+ω)SH计算每层所需填料质量，其中M为填料质量，K为填筑目标压实度，ρ_dmax为所用填料最大干密度，ω为所用填料含水率，S为模型箱主体底面面积，H为目标填筑高度。

步骤2：将确定质量的填料均匀倒入模型箱至目标填筑高度，用小型夯机进行夯实碾压，而后对每层压实路基表面进行打毛处理，分层压实直至填料达到第一排弯曲元高度。

步骤3：分层压实达到第一排弯曲元高度后,分别由两侧的弯曲元测试左右方向和前后方向的波速，路基表面放置一组弯曲元，位置与底部弯曲元对应，测试竖向波速，对比分析不同夯实碾压遍数下各方向的剪切波速，评价路基土体水平方向上的施工效果及填高范围内土体的综合状态，确定最优施工方式。

步骤4：继续填筑并压实，每至弯曲元测试高度后，测试三个方向剪切波速。

步骤5：填筑完成后，打开进水阀，研究不同水位下三个方向的剪切波速。据此，可获得不同压实度、不同水位条件下的三向剪切波速，评价路基各向性能。

本实施例还公开了一种评估实体路基模型动力性能的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：将模型箱固定在振动台上并按照上述方法进行模型的填筑和压实。

步骤2：通过振动台施加不同振动频率和振动速度量级的扰动荷载，模拟地震荷载、施工扰动荷载等作用下，路基性能的演化，并实时测试三个方向剪切波速，通过剪切波速定量表征路基性能的演化，以评估路基动力性能。

本申请的一种典型实施方式中，如图8(a)-(d)所示，一种实现分层碾压路基各向剪切波速测试的可拼装式试验装置，包括模型箱主体1、模型箱支护2、弯曲元固定单元以及振动台5四个部分，所述模型箱主体由底板1-1、前后两侧转动板1-2和左右两侧板1-3组成，所述模型箱支护由前后两侧的檩条2-2和左右两侧的框架2-3组成，固定于模型箱主体四面形成围护结构，模型箱左右两侧板1-3设置有进水阀3和排水阀4，所述模型箱主体底部固定有振动台5。

模型箱体主体由1cm厚有机玻璃板制成，外部由1cm厚钢铁作支护。箱体前后两侧板通过铰链与底板连接，可实现自由开合，方便填料的装卸，其固定通过檩条与框架之间的螺栓连接使其与左右两侧板压紧；左右两侧板直接粘接在底板上其外部直接与钢铁支架接触，承受其支护作用；前后两侧转动板与底板和侧板接触面采用高弹性的密封胶，允许转动板沿着前后方向产生微小的弹性变形。箱体侧板及底板上均有开孔，便于弯曲元器件的安装，侧板上共设置有四种不同高度的弯曲元孔洞，可以用来测量不同有效应力下的剪切波速，具体位置如表1所示，开孔尺寸详见附图说明，可以用来测量不同有效应力下的剪切波速。另外模型箱不同的宽度和长度尺寸可适应不同距离条件下的测量试验。根据不同距离条件下的测量试验的结果，可以验证试样的均匀性。该模型箱长宽高三个方向上均可进行波速测试，六个板面上均可设置弯曲元，彼此之间的相互搭配可形成不同的应力路径，从而可进行不同传播路径上的波速测试，表征土样的各向异性。

表1模型箱侧板弯曲元孔洞位置表

本实施例的技术特点如下：

(1)为保证路基压实状况模拟的准确性，本实施例采取相似方法来对路基压实过程中相关参数进行缩减，从而保证室内模型试验的准确性。研究中采用控制压实过程压强值恒定，缩减其他参数比例的方法来缩小模型尺寸。为适应室内模型试验的要求，研究中取模型长度参量的缩减比为1/7.5，则可知面积参量的缩减比例应为1/56.25，上覆压重和面积参量相同的缩减比例，由此可得相关参量的相似缩减后的值,如表2所示。

表2模型试验相关参量相似缩减计算值表

参照上表的有关参量的相似缩减值，考虑可实现两幅碾压、10层分层碾压及设置排水用砂垫层，设置模型箱内尺寸为长1.0m，宽0.6m，高0.6m(其中路基填筑高度0.48m)，设计图纸详见附图说明。

(2)固定单元安装之前弯曲元器件用环氧树脂固定在C构件正中心，待环氧树脂固化后即可正常使用。进行模型测试时，A构件已用胶水粘接在模型试验箱开孔外部，先将D构件置于A构件中，后将B构件旋紧即可进行模型箱的填土；待填土完成后，将要测试位置弯曲元孔洞处B构件卸下，D构件取出，之后将C构件连同弯曲元一同插入，使弯曲元器件深入箱内土体中，最后将B构件在此旋紧即可进行剪切波速的正常测量。

(3)模型箱左右两侧板设置有进水阀和排水阀，以此来控制水位条件，详细布置情况见附图说明，上部留有充足空间方便气囊的安装，可进行不同水位条件、不同上覆压力条件下的剪切波速测量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置，其特征是：包括模型箱主体、模型箱支护和弯曲元固定单元，所述模型箱支护设置模型箱主体上，对框架式的模型箱主体进行防护，所述模型箱主体的若干板面上设置有用于固定弯曲元的弯曲元固定单元，通过各板面的弯曲元固定单元相互搭配形成不同的应力路径，实现剪切波速的三向测试；所述弯曲元固定单元至少包括四种构件，A构件为外部带有螺纹的铁管，其内径与模型试验箱上开孔的直径相同；B构件的形状为扩大的螺母结构，其内壁上有螺纹，与A构件之间可旋紧；C构件为光圆中空的铁管，其内径大于所用弯曲元器件的宽度，外径与A构件内径相同；D构件为实心的铁柱，外径与A构件内径相同；

所述模型箱主体包括底板、前后两侧转动板和左右两侧板，所述前后两侧转动板和左右两侧板分别设置于底板的各个边上，形成立方体框架。

2.如权利要求1所述的一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置，其特征是：所述模型箱主体设置于振动台上，跟随振动台的振动而运动。

3.如权利要求1所述的一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置，其特征是：所述模型箱主体的前后两侧转动板和左右两侧板相同高度处、底板中心处设有矩形开孔，以安装弯曲元固定单元，其尺寸大于所用弯曲元器件；左右两侧板的一侧底部设置有进水阀，另一侧顶部设有排水阀。

4.如权利要求3所述的一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置，其特征是：所述模型箱主体左右两侧板通过硅胶粘接在底板上，其外部通过硅胶与框架粘接固定；前后两侧转动板与底板连接，前后两侧转动板与左右两侧板压紧，接触面位置采用硅胶密封；前后两侧转动板与底板和侧板接触面采用高弹性的密封胶，允许转动板沿着前后方向产生微小的弹性变形。

5.如权利要求1所述的一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置，其特征是：所述模型箱支护由前后两侧的檩条和左右两侧的框架组成，固定于模型箱主体四面形成围护结构。

6.如权利要求5所述的一种分层碾压路基各向剪切波速测试装置，其特征是：所述檩条与前后两侧转动板之间采用柔性材料缓冲，允许扰动荷载下前后两侧转动板绕着铰链转动。

7.基于如权利要求1-6中任一项所述的装置的实体路基模型分层压实后三向波速测试方法，其特征是：包括以下步骤：

计算每层所需填料质量，将确定质量的填料均匀倒入模型箱至目标填筑高度，用夯机进行夯实碾压，对每层压实路基表面进行打毛处理，分层压实直至填料达到第一排弯曲元高度；

分层压实达到第一排弯曲元高度后, 分别由两侧的弯曲元测试左右方向和前后方向的波速，路基表面放置一组弯曲元，位置与底部弯曲元对应，测试竖向波速，对比分析不同夯实碾压遍数下各方向的剪切波速，评价路基土体水平方向上的施工效果及填高范围内土体的综合状态，确定最优施工方式；

继续填筑并压实，每至弯曲元测试高度后，测试三个方向剪切波速；

填筑完成后，进行注水，研究不同水位下三个方向的剪切波速，获得不同压实度、不同水位条件下的三向剪切波速，评价路基各向性能。

8.如权利要求7所述的实体路基模型分层压实后三向波速测试方法，其特征是：弯曲元固定单元的安装步骤包括：

步骤1：将A构件用环氧树脂胶水粘接在模型试验箱开孔外部，其圆心与开孔中心对齐；

步骤2：先将D构件置于A构件中，后将B构件旋紧即可进行模型箱的填土；

步骤3：待填土完成后，将需测试位置弯曲元孔洞处B构件卸下，D构件取出，之后将用环氧树脂胶灌入粘结弯曲元的C构件插入，使弯曲元器件深入箱内土体中，将B构件旋紧即可。

9.如权利要求2所述的装置的评估实体路基模型动力性能的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

将模型箱固定在振动台上并进行模型的填筑和压实；

通过振动台施加不同振动频率和振动速度量级的扰动荷载，模拟地震荷载、施工扰动荷载的作用下，路基性能的演化，并实时测试三个方向剪切波速，通过剪切波速定量表征路基性能的演化，以评估路基动力性能。